计算机组成原理第06章输入输出系统

1、第6章I/O系统基本知识点：总线的概念、结构、控制方式、通信 方式；信息的传送方式；总线结构，其对计算机系 统性能的影响及常见微机系统总线；I/O系统的有 关概念；直接程序传送方式的基本接口及程序流程; 程序中断方式的有关概念、中斷优先权排队电路、 中断识别的方法、中断方式的接口； DMA方式的基 本概念、3种DMA传送方式及操作过程；通道的类型; 几种I/O方式的比较。重点：总线的设计要素，总线的控制方式，优先权 排队电路，中断响应过程及接口难点：总线的控制方式，中断接口、DMA接口第6章I/O系统计算机是由一组相互之间通信的3种基本类 型(CPU、存储器和I/O)的部件或模块组成 的网络，

2、因此必须有使模块连接在一起的通 路.连接各种模块的通路的集合成为互连结 构(Interconnection Structure)。这一 结构的设计取决于模块之间所必需交换的信 息第6章I/O系统互连结构必须支持下列类型的传送：存储器到CPU: CPU从存储器中读指令或一 个单元的数据 CPU到存储器：CPU向存储器写一个单元的 数据； I/O到CPU: CPU通过I/O模块从I/Oi殳备中 读数据； CPU到I/O: CPU向I/O设备发送数据；-I/O和存储器之间：使用DMA方式在I/O模 块同存储器之间直接交换数据O第6章I/O系统6.1概述计算机系统的I/O体系结构是系统对外部世 界的接

3、口。这种体系结构定义为：提供一种 控制计算机与外部交互的系统化方式，并 向操作系统提供必要的信息，以使其能够有 效地管理I/O动作.第6章I/O系统6.1概述 基本的I/O技术有3种：直接程序传送方式. 程序中断方式和DMA方式.外部I/O接口的重要范例是SCSI. FireWire 和USB 除了处理器和一组存储模块外，一个计算机 系统的第3个关键部件是一组I/O模块.每个 模块连接系统总线或中央交换机，并控制一 个或多个外围设备.6.1概述6.1.1主机与外部设备的连接模式 1-单总线方式通过系统总线连接各个设备。6.1概述处理 高速外设6.1.1主机与外部设备的连接模式2.多总线连接结构

4、通过局部总线连接CPU和Cache,系统总线通过扩 充接口 连接到 扩充总 线上.6.1概述6.1.1主机与外部设备的连接模式 3.高性能多总线连接结构6.1.1主机与外部设备的连接模式4. I/O通道和I/O处理机6.1概述6.1.2总线类型与总线标准总线是计算机系统中连接多个设备的通信线 路，具有一组共享的传输介质，能分时发送. 同时接受总线设备的信息.5.1.2总线类型与总线标准 总线的分类：1.从功能分类局部总线、系统总线内总线、外总线单总线、双总线.多总线5.1概述5.1.2总线类型与总线标准总线的分类：2.按数据传送格式分类并行总线用多位数据线同时传送多位数据。总线的数据通路宽度：

5、能同时传送的数据位 数。串行总线5.1.2总线类型与总线标准3按时序控制方式分类 时序控制方式决定总线上协调各事件的方式 同步总线数据传送操作由统一的系统时钟 同芬定时。特点：有严格的时钟周期划分，一次传送操 作所需的一个总线周期可能包含若干个时钟 周期。优点;控制简单，易于实现缺点：时间利用和安排上不够灵活和合理5.1概述5.1.2总线类型与总线标准3按时序控制方式分类 异步总线以应答方式实现对总线操作的控 制和数据传送 特点：没有固定的时钟周期划分，操作时间 根据传送的需要安排。优点：时间选择比校灵活，利用率高 缺点：控制比较复杂5.1.2总线类型与总线标准4总线标准对于系统总线，为使各种

6、外部设备和接口都 能连接到系统总线上，必须详细定义总线的 原则，并且要求所有连接上来的设备都必须 遵循这些原则。这些原则就是总线标准。51概述5.1.2总线类型与总线标准4总线标准每种标准总线都有详细的规范说明，一般包 括如下部分：机械结构规范 确定模块板的尺寸.总线插 座插头、边沿连接器等规格及位置；功能规范确定每个引脚信号的名称与功能, 对他们的时序及相互作用的协议进行说明；5.1.2总线类型与总线标准4总线标准每种标准总线都有详细的规范说明，一般包 括如下部分：电器规范规定信号的高.低电平，动态转 换时间，负载能力及最大额定值等。当代的总线是一些标准总线，追求与结构、 处理器、技术无关的

7、开发标准，并满足包括 对各处理器在内的多主环境需求5.1概述5.1.3接口功能与接口分类接口泛指设备部件之间的交接部分，是中央 处理器和内存、外围设备，或两种外围设备, 或两种机器之间通过总线进行连接的逻辑部 件.主机与外围设备或其它外部系统之间的接口 逻辑，称为输入/输出接口（I/O接口，外围5.1.3接口功能与接口分类1- I/O接口的基本功能典型的接口通常具有如下功能：控制接口靠程序的指令信息来控制外围 设备的动作，如启动、关闭设备等。缓冲 接口在外围设备和计算机系统其他 部件之间用作为一个缓冲器，以#4尝各种设 备在速度上的差异。5.1概述5.1.3接口功能与接口分类1. I/O接口的

8、基本功能续1 典型的接口通常具有如下功能：状态接口监视外围设备的工作状态并保存 状态信息。状态信息包括数据“准备就绪”.“忙”、“错误”等等，供CPU询问外围设备 时进行分析之用.转换接口可以完成任何要求的数据转换， 以保证数据在外围设备和CPU之间正确地进行5.1.3接口功能与接口分类1- I/O接口的基本功能续2整理接口可以完成一些特别的功能，例 如在需要是可以修改字计数器或当前内存地 址寄存器.程序中断每当外围设备向软件请求某种 动作时，接口即发出一个中断请求信号到 CPU。例如，如果设备完成了 一个操作或设 备中存在着一个错误状态，接口即发出中断.5.1概述5.1.3接口功能与接口分类

9、2. I/O接口的分类 (1)按数据传送格式分 并行接口接口与系统总线.外围设备之 间都以并行方式传送数据信息O 串行接口接口与外围设备之间釆用串行 方式传送数据5.1.3接口功能与接口分类 2. I/O接口的分类续丄 按时序控制方式分 同步接口与同步总线相连的接口，接口 与系统总线间的信息传送由统一的时序信号 控制，如CPU提供的时序信号。接口与外围 设备之间则允许有独立的时序控制操作。异步接口与异步总线相连的接口，接口 与系统总线间的信息传送釆用异步应答的控 MzlX 5.1概述5.1.3接口功能与接口分类2. I/O接口的分类续2 按信息传送的控制方式分中断接口主机与外围设备之间的信息传

10、 送釆用程序中断方式控制。 DMA接口主机与高速外围设备之间的信息 传送采用DMA方式控制。5. 2系统总线系统总线主要连接计算机系统内的功能部件, 如CPU.存储器、I/O设备等。5.2.1总线设计的要素 1 总线类型总线的信号线可以归为两类，专用和复用。专用总线始终只负责一项功能，或始终分配 给计算机部件的一个物理子集.例：使用分 立专用的地址线和数据线。将相同的线用于多种目的的方法称为分时复 用.52系统总线 _5.2.1总线设计的要素1 总线类型分时复用的优点是，使用的布线数量少，从 而节省了空间和成本。缺点是控制电路略显 复杂，而且还潜伏着性能的降低，因为共享 总线的特定事件不能同时

11、发生.物理专用的潜在优点是总线冲突减少，所以 具有高吞吐量；缺点是增加了系统的规模和 成本.5. 2系统总线5.2.1总线设计的要素2 总线仲裁方法由于在总线上每次只有一个器件能够成功地 发送，因此需要一种仲裁方法。各种总裁方法大致可大致划分为集中式或分 布式两类。5. 2系统总线_5.2.1总线设计的要素2 总线仲裁方法集中式由一个总线控制器负责分配总线 时间。这个设备可以是独立的模块，也可以 是CPU的一部分。分布式 在每个模块中包含访问控制逻辑, 这些模块共同作用，分享总线.这两种仲裁 方法的目的，都是为了指定一个设备作为主 控器，然后这个主控器启动其它设备的数据 5. 2系统总线5.2

12、.1总线设计的要素3时序一次总线的信息传送过程，大致可分成如下 五个阶段：请求总线，总线仲裁，寻址（目 的地址），信息传送，状态返回（或错误报 告）时序是指总线上协调事件的方式.5. 2系统总线5.2.1总线设计的要素3时序对于同步时序，总线上事件的发生由时钟决 屯。总线中包含时钟信号，它传送相同长度 的0. 1交替的规则信号组成的时钟序列。一 次1-0的转换称为时钟后期或总线周期，它 定义了一个时间槽。总线上所有其它设备都能读取时钟线，并且 所有的事件都在时钟周期的开始时发生。5. 2系统总线_5. 2系统总线5.2.1总线设计的要素3时序对于异步时序来说，总线上一个事件的发生 取决于前一事

13、件的发生，即建立在握手或互 锁机制基础上的操作。在这种系统中，总线 时钟信号线可有可无，总线周期的长度是可 变的.5. 2系统总线5.2.1总线设计的要素3.时序同步时序的实现和测试都臾简单，但是它没 有异步时序灵活。因为同步总线上的所有设 性能设备的优势。对于异步时序，不论设备 是快还是慢，使用的技术是新还是旧，都可 以共享总线.备都遵循固定的时钟频率,系统不能发挥高5.2.1总线设计的要素4 总线宽度数据总线的数目称为数据总线的宽度（数据 通路宽度）。数据通路宽度是决定系统总体 性能的关键因素：数据总线越宽，一次能传 送的位数就越多；地址总线的宽度决定了系统能够使用的最大 的存储器容量。地

14、址总线越宽，可以访问的 单元就越多。而且地址线通常也用于I/O端 口的寻址。5. 2系统总线5.2.1总线设计的要素 5.数据传输类型 总线支持各种数据传输类型。所有的总线都 支持写（主控器到从属设备）和读（从属设 备到主控器）的传输。在复用型地址/数据 总线中，总线先用于指定地址，然后用于传 输数据。5. 2系统总线5.2.1总线设计的要素5.数据传输类型 当代总线标准大都支持“块传送力操作，一 个地址周期后面跟着n个数据周期，第一个 数据项传输使用指定的地址，其余的数据项 传输使用后续地址。即只需给出块的起始地 址，然后这固定块长的数据一个接一个地读 出或写入。对于主一从方为CPU存储器而

15、 言的这种块传送，常称为猝发式或突发式传 送，其块长往往固定为数据线宽度的四倍。5. 2系统总线5.2.2系统总线的信号组成初期的总线实际上是处理器芯片引脚的延伸, 是处理器与外部硬件接口的通道。这种简单 的总线由50100条线组成，按其功能可 分为三类：地址线.数据线、控制线。5. 2系统总线5.2.2系统总线的信号组成电源线和地线地址线：地址线传送内存与设备的地址。数据线：数据线传送数据。数据线通常和 存储器字长成正比。控制信号线：控制线用来指明数据传送方 向，如存储器读、存储器写、I/O读（输 入）、I/O写（输出），以及中断控制（请 求.识别）和定时控制等。5. 2系统总线_5.2.2

16、系统总线的信号组成当代总线PCI外围设备互连（PCI, Peripheral Component Interconnect）是一种高带宽、 独立于处理器（与处理器无关）的总线，并 能够作为中间层或外围总线理论上，PCI的速率可以达到528MB/S或4.224CB/S.5.2.2系统总线的信号组成当代总线PCIPCI是专门为满足现代系统的I/O要求而设计 的较经济的总线，实现它只需要很少的芯片, 而且它支持把其它的总线连到PCI总线上.PCI支持广泛的基于微处理器的配置，包括 单个和多个处理器的系统。相应地，它提供 了一组通用的功能。它使用同步时序以及集 中式仲裁机制。52系统总线_5.2.2系

17、统总线的信号组成1. PCI总线结构PCI可以配置成32位或64位总线。49线PCI所 必需的信号线按照功能分为以下几组：系统引脚包括时钟和复位引脚。地址和数据引脚 包含32根分时复用的地 址/数据线。在此PCI布线方案中，用其它信 号线来解释并使传送的地址和数据的信号线 有效.5.2.2系统总线的信号组成1. PCI总线结构接口控制引脚控制数据交换的时序，并 提供发送端和接收端的协调。仲裁引脚 不同于其它的PCI信号线，它们 是非共享的线，每个PCI主控器有自己的一 对仲裁线，它们直接连到PCI总线仲裁器上. 错误报告引脚用于报告奇偶校验措以及 其他错误.52系统总线 _5.2.2系统总线的

18、信号组成1. PCI总线结构PCI规范还定义了51个可选的信号线，可分 为以下几个功能组：中断引脚 提供给必须请求服务的PCI设备高速缓存支持引脚 这些引脚支持高速缓 存监听协议5.2.2系统总线的信号组成1. PCI总线结构64位总线扩展引脚 包含32根分时复用的 地址/数据线。它们与必有的地址/数据线一 道，形成64位地址/数据线 JTAG/边界扫描引脚 这些信号线支持IEEE 标准149.1中定义的测试程序52系统总线 _5.2.2系统总线的信号组成2. PCI命令在发送端（主控器）与接收端之间进行数据 交换时，总线活动。当总线的主控器获得总 线控制权时，由主控器决定即将发生的事项 类型。在地址传送周期，C/BE （命令/字节） 指示信号线首先指示交换类型5.2.2系统总线的信号组成2. PCI命令中断响应读命令，目的是为了让PCI总线 上的中断控制器设备进行操作此时地址 传送周期中，地址线并不使用，而字节允许 信号可返回的中断标识号特殊周期此命令用来由发出端向一个或 多个目标发送广播消息。 I/O读. I/O写此一对命令用来在发送 端和I/O控制器之间传送数据。5. 2系统总线5.2.2系统总线的信号组成2